含水率對紅砂巖瞬時(shí)和蠕變力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究

于超云，唐世斌，唐春安

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

水是巖體工程中不可避免的環(huán)境因素，往往與巖體滑坡、地基失穩(wěn)、壩基開裂以及礦柱巖爆等自然災(zāi)害密切相關(guān)。水對巖石力學(xué)特性的影響一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，比如:Hawkins and Mcconnell[1]對35組砂巖進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水率與強(qiáng)度之間具有負(fù)指數(shù)關(guān)系，即隨著含水率增加，強(qiáng)度和變形特性逐漸衰減。周翠英等[2]對不同吸水時(shí)間的軟巖進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度變化的定量表征關(guān)系服從指數(shù)變化規(guī)律。段宏飛等[3]研究了砂巖抗拉強(qiáng)度軟化的時(shí)間效應(yīng)，結(jié)果表明抗拉強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的增加呈指數(shù)規(guī)律減小。鄧華鋒等[4]研究了砂巖在飽水、風(fēng)干過程中飽水度對抗壓強(qiáng)度和縱波波速影響的變化規(guī)律。蔣長寶等[5]對不同含水狀態(tài)的含瓦斯煤樣進(jìn)行了三軸加卸載試驗(yàn)，結(jié)果表明隨含水率增加，煤樣的強(qiáng)度、變形模量均呈降低趨勢，但是耗散能增大，破壞程度增大。ZHANG等[6]研究飽和度對粉砂巖強(qiáng)度、彈模、啟裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力閾值的影響。YAO等[7]發(fā)現(xiàn)隨著含水率增大，煤巖中的峰值應(yīng)力和彈性模量降低，但閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力閾值不隨含水率的增大而變化。唐鷗玲等[8]發(fā)現(xiàn)含水率對砂巖的漸進(jìn)破裂過程存在促進(jìn)作用，隨著含水率的增加，砂巖的閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力和峰值強(qiáng)度均逐漸減小。此外，在水對巖石蠕變特性的影響方面，LAJTAI等[9]研究了水對花崗巖時(shí)效性變形特性的影響，認(rèn)為干燥花崗巖遇水后其時(shí)效性變形顯著增加;KRANZ等[10]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)飽和花崗巖的蠕變失效時(shí)間比自然狀態(tài)下縮短了3個(gè)數(shù)量級;朱合華等[11]對干燥和飽和晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r進(jìn)行單軸壓縮蠕變試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者的極限蠕變變形量相差5～6倍，而且飽和巖樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間明顯延長;巨能攀等[12]研究了不同含水率的紅層泥巖三軸壓縮蠕變特性，結(jié)果表明紅層泥巖的初始、穩(wěn)態(tài)和極限加速蠕變速率都隨含水率的升高而增大。

在實(shí)際工程中(如采空區(qū)的遺留礦柱、大壩壩基及庫岸邊坡等)，施工期的通風(fēng)、排水等措施使得巖石處在相對干燥的狀態(tài)，但是施工結(jié)束后，由于地下水位或者庫水位上升導(dǎo)致巖石逐漸由干燥變?yōu)轱査疇顟B(tài)，且后續(xù)將長期處于水環(huán)境中。巖石含水狀態(tài)的改變必然導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)(包含短期和長期強(qiáng)度)的巨大差異。然而，從以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們多側(cè)重于干燥或飽和兩種極端含水狀態(tài)下的強(qiáng)度和蠕變試驗(yàn)，而且從試驗(yàn)方法上看，通常是先把巖石試件浸水不同時(shí)間，然后對其表面進(jìn)行密封處理，最后在空氣中進(jìn)行加載測試，缺乏不同含水狀態(tài)下巖石的短期和長期力學(xué)特征的研究，也缺乏在持續(xù)水環(huán)境下受荷載與水共同作用的巖石蠕變力學(xué)特性的研究。因此，有必要進(jìn)一步開展含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究，尤其是巖石在真實(shí)水環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果對巖體工程長期穩(wěn)定性評價(jià)具有重要意義。基于此，本文以紅砂巖為研究對象，對不同含水率的試件進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)和持續(xù)水環(huán)境中的蠕變試驗(yàn)，重點(diǎn)分析含水率對紅砂巖瞬時(shí)和蠕變力學(xué)特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及試件制備

本次試驗(yàn)所用的紅砂巖無層理、條紋和裂紋，完整性及均勻性良好。利用X射線衍射儀對其進(jìn)行礦物衍射圖譜分析得知，主要礦物成分有石英(75%～80%)、長石(10%～15%)、方解石(5%～10%)和菱鐵礦(2%～3%)，黏土礦物極少。

現(xiàn)場取來的大塊巖石首先經(jīng)過巖石鉆孔取芯機(jī)取芯，再經(jīng)過切割、打磨，加工成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。試件的比重、干容重和孔隙率分別為2.51，22.2 kN/m3和11.6%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用的是中科院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150C巖石力學(xué)剛性伺服試驗(yàn)機(jī)。為了真實(shí)反映巖體工程長期處于水環(huán)境下的穩(wěn)定性特征，在原試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)境試驗(yàn)箱，實(shí)物圖如圖1所示，使得巖石試件承受荷載的同時(shí)受持續(xù)水環(huán)境的作用。

圖1 持續(xù)水環(huán)境作用的巖石蠕變試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Combined environmental and mechanical loading test system

這是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單但能夠真實(shí)反映巖體工程長期受水作用的環(huán)境試驗(yàn)裝置。箱體由透明的有機(jī)玻璃制成，可以直觀的觀察試件的破壞形態(tài)。箱體底座選用不銹鋼板，用不溶于水的黏合劑將筒壁與底座黏合成一體。試驗(yàn)時(shí)，將該環(huán)境箱裝置放置于加載系統(tǒng)的支柱上即可。

本文設(shè)計(jì)了2種試驗(yàn)類型，見表1:① 單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn):首先將試件在105 ℃的干燥箱內(nèi)烘24 h，冷卻至室溫后，將部分干燥試件浸水一定時(shí)間后取出，表面密封，然后對不同含水率紅砂巖試件進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，采用位移控制加載，加載速率是0.005 mm/s;② 持續(xù)水環(huán)境單軸壓縮蠕變試驗(yàn):首先將干燥和預(yù)先浸水一定時(shí)間后的紅砂巖試件移置到充滿水的試驗(yàn)箱中，然后以力控制方式，按0.05 kN/s的速率加載到預(yù)定荷載后保持恒定。為了得到完整的3階段蠕變過程曲線，預(yù)設(shè)荷載水平取飽和試件強(qiáng)度的85%。

表1試驗(yàn)方案
Table1Testschemes

試驗(yàn)類型浸水時(shí)間及對應(yīng)含水率試驗(yàn)環(huán)境單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)干燥(0%),1 h(0.71%),2 h(1.0%),4 h(1.26%),20 h(2.08%),2 d(2.97%),4 d(3.34%),6 d(3.37%),8 d(3.45%)表面密封,室溫,空氣持續(xù)水環(huán)境蠕變試驗(yàn)干燥(0%),2 d(2.97%),4 d(3.34%),6 d(3.37%),8 d(3.45%)充滿蒸餾水的試驗(yàn)箱中

2 吸水試驗(yàn)及含水率的確定

在進(jìn)行強(qiáng)度和蠕變試驗(yàn)之前，首先對紅砂巖進(jìn)行了吸水試驗(yàn)。本次試驗(yàn)參考了文獻(xiàn)[13-14]的試驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)過程中，先將試件放在105 ℃下烘24 h，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱重，然后迅速地將干燥試件浸沒在充滿蒸餾水的容器內(nèi)，在浸水的前10 h內(nèi)每隔30 min將試件取出，用濕布擦去表面水分，放在高精度的天平上稱重，浸水10 h后每隔1 h 用同樣的方式稱重。浸水一定時(shí)間后的巖石含水率wt可以通過下式計(jì)算:

wt=(Mt-M0)/M0×100%

(1)

式中，Mt為浸水巖石試件在t時(shí)刻的質(zhì)量;M0為干燥巖石試件的質(zhì)量。

圖2為4個(gè)紅砂巖試件的含水率隨浸水時(shí)間的變化曲線，浸水總時(shí)間分別是2,4,6和8 d。從圖2可以看出，在浸水的初始階段(0～20 h)，吸水速率大，含水率變化顯著;隨后(20～50 h)，吸水速率逐漸減小，含水率緩慢增大;而后(>50 h)，浸水4,6,8 d后的紅砂巖試件的含水率均趨于穩(wěn)定，最終的含水率分別是3.34%，3.37%和3.45%。

圖2 含水率隨浸水時(shí)間的變化曲線Fig.2 Water content vs.immersion time

根據(jù)紅砂巖的吸水特性，分別選取快速吸水階段的1,2，4,20 h，緩慢吸水階段的2 d，穩(wěn)定階段的4，6和8 d作為特征時(shí)刻，不同時(shí)刻對應(yīng)的含水率見表1，通過對不同含水狀態(tài)下的紅砂巖試件進(jìn)行單軸壓縮強(qiáng)度和蠕變試驗(yàn)，從而研究含水率對紅砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響。

3 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及各階段特征應(yīng)力的確定

圖3為不同含水率紅砂巖的軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線。可以看出，不同含水率試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在相似性，可分為5個(gè)階段:① 壓密階段，該段曲線稍向上凹曲，巖石內(nèi)部原有孔隙被不斷壓縮;② 線彈性階段，該階段曲線為斜直線。巖石在線彈性階段微裂隙、空洞和弱節(jié)理面進(jìn)一步被壓縮，但不再進(jìn)一步發(fā)展，此時(shí)應(yīng)力水平不足以促使新的裂紋或者迫使原有裂紋發(fā)生擴(kuò)展演化，卸載后可完全恢復(fù);③ 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，該階段的曲線偏離直線，出現(xiàn)塑性變形。巖石在這一階段出現(xiàn)細(xì)微的開裂，隨應(yīng)力增大，數(shù)量增多，表征著巖石的破壞已經(jīng)開始，巖石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并無大的改變;④ 裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段，該段曲線向下彎曲，巖石內(nèi)部巖裂紋形成速度增快，密度加大，出現(xiàn)不可逆的變形，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，應(yīng)力保持不變，破裂仍會(huì)不斷地累積發(fā)展;⑤ 峰后階段，應(yīng)力繼續(xù)增大，巖石承載力降低，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，此階段內(nèi)巖石的微裂隙逐漸貫通形成宏觀破裂面。

圖3 不同含水率試件的全過程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain curves of samples with different water content

為了深入探討不同含水狀態(tài)下紅砂巖的力學(xué)響應(yīng)，本文通過確定各階段特征應(yīng)力來定量分析含水率與紅砂巖力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。選取其中一個(gè)干燥紅砂巖試件峰值前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，詳細(xì)說明各階段特征應(yīng)力值的確定方法(圖4)。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線階段的劃分及各階段應(yīng)力閾值的確定[16]Fig.4 Stages of stress-strain curve and profile to determine each characteristic stress threshold[16]

在圖4(a)中，σc為閉合應(yīng)力，是巖石線彈性階段的下限;σi為啟裂應(yīng)力，是巖石線彈性階段的上限;σd為損傷應(yīng)力，是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展與不穩(wěn)定擴(kuò)展的分界點(diǎn)，對應(yīng)于體積應(yīng)變曲線(σ1～εV)的拐點(diǎn);σf為破壞應(yīng)力，對應(yīng)于軸向應(yīng)變曲線(σ1～ε1)的極大值點(diǎn)。啟裂應(yīng)力的確定是一個(gè)關(guān)鍵，如果能先確定啟裂應(yīng)力，那么取σ1-ε1曲線直線段的下限點(diǎn)即為閉合應(yīng)力。本文采用MOHSEN和MARTIN[15]提出的LSR法(Lateral Strain Response):首先，在體積應(yīng)變曲線(σ1-εV)中確定損傷應(yīng)力點(diǎn)σd，并沿該點(diǎn)做水平線與橫向應(yīng)變曲線(σ1-ε2)相交;其次，連接該交點(diǎn)與原點(diǎn)畫一條參考線，將兩條線對應(yīng)的橫坐標(biāo)值相減，即為LSR差值;最后，作LSR差值與軸向應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖4(b)所示，該曲線的最大值對應(yīng)的應(yīng)力即為啟裂應(yīng)力σi。

3.2 含水率與各階段特征應(yīng)力的關(guān)系

圖5為紅砂巖試件的各階段特征應(yīng)力隨含水率的變化曲線(每一組含水狀態(tài)，分別取3～5個(gè)樣本)。從圖5可以看出，各階段特征應(yīng)力均隨著含水率增大而逐漸降低。比如，當(dāng)含水率wt=3.45%時(shí)，紅砂巖試件的平均閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力和破壞應(yīng)力分別是干燥狀態(tài)下的22.3%，22.4%，36.6%和50.2%，降幅分別是77.7%，77.6%，63.4%和49.8%。各特征應(yīng)力與含水率的變化關(guān)系可以用負(fù)指數(shù)函數(shù)描述，如

σ(wt)=aexp(-bwt)+c

(2)

其中，wt為含水率;a，b，和c為常數(shù)。在干燥狀態(tài)下，即w=0%時(shí)，方程退化成σ(ω0)=a+c。在飽和狀態(tài)下，各特征應(yīng)力σ(ωsat)=c;b為各特征應(yīng)力隨含水率增加而衰減的速率。各特征應(yīng)力對應(yīng)的a，b，c這3個(gè)參數(shù)的擬合結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，破壞應(yīng)力和閉合應(yīng)力對應(yīng)的b值分別是0.584和0.686大于損傷應(yīng)力(b=0.391)和閉合啟裂應(yīng)力(b=0.345)。這說明，紅砂巖的強(qiáng)度及在初始的閉合階段對水更加敏感。

圖5 各階段特征應(yīng)力與含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship of characteristic stress to water content

正如圖2所示，含水率的大小取決于浸水時(shí)間的長短。因此從某種程度上來說，紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)與浸水時(shí)間存在一定的聯(lián)系。值得注意的是，在短時(shí)間內(nèi)，各特征應(yīng)力的降幅十分顯著。比如:與干燥試件相比，僅浸水1 h后試件的含水率wt=0.71%，閉合應(yīng)力σc從31.3 MPa降到24 MPa，降幅為23.4%，占總降幅的30.1%;啟裂應(yīng)力σi從47.7 MPa降低到38.7 MPa，降幅為19%，占總降幅的24.5%;損傷應(yīng)力σd從77.0 MPa降低到60.5 MPa，降幅為21.3%，占總降幅的33.6%;破壞應(yīng)力σf從107.8 MPa降低到54.1 MPa，降幅為20.4%，占總降幅的41%。浸水4 h后，wt=1.26%，閉合應(yīng)力σc降幅為52.3%，占總降幅的67.2%;啟裂應(yīng)力σi降幅為42.1%，占總降幅的54.2%;損傷應(yīng)力σd降幅為36.3%，占總降幅的57.3%;破壞應(yīng)力σf降幅為31.2%，占總降幅的62.6%。

在短時(shí)間內(nèi)造成各特征應(yīng)力急劇弱化的原因是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所用紅砂巖的孔隙率較大，水分能夠迅速從巖石表面遷移巖石內(nèi)部，導(dǎo)致含水率在短時(shí)間內(nèi)迅速增大。比如:浸水1 h的試件含水率wt=0.71%是飽和含水率的20.6%。目前的研究僅側(cè)重含水率與巖石強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，但忽略了時(shí)間與巖石力學(xué)行為的聯(lián)系。在實(shí)際巖體工程比如邊坡降雨、水庫蓄水等，高孔隙率巖石遇水的初始幾個(gè)小時(shí)或者幾天對其穩(wěn)定性的影響是至關(guān)重要的。

圖6為紅砂巖的各特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值隨含水率的變化曲線。從圖6可以看出，各應(yīng)力比隨含水率的增大而逐漸減小。當(dāng)試件的含水率wt從0%增加到2.08%，各應(yīng)力比顯著降低，比如:σc/σf從0.291降低到0.189，降幅為35.1%，占總降幅的63.1%;σi/σf從0.443降低到0.318，降幅為28.2%，占總降幅的51%;σd/σf從0.714降低到0.587，降幅為17.8%，占總降幅的65.4%。當(dāng)含水率wt從3.34%增加到3.45%，各個(gè)應(yīng)力比僅略有減小。比如，σc/σf從0.17降低到0.13、σi/σf從0.26降低到0.20，σc/σf幾乎不變。

圖6 應(yīng)力比與含水率的關(guān)系Fig.6 Relationship of stress ratio to water content

圖7給出了啟裂應(yīng)力σi與閉合應(yīng)力σc之差與含水率的變化關(guān)系。從圖7可以看出該應(yīng)力差隨含水率的增加而減小。應(yīng)力差越小說明應(yīng)力應(yīng)變曲線上對應(yīng)的直線段越短。這說明隨著含水率的增加，紅砂巖線性特征減弱，非線性特征增強(qiáng)。當(dāng)含水率wt從0%增加到2.97%，應(yīng)力差從16.4 MPa降低到7.1 MPa，降幅為56.6%;然而，當(dāng)試件接近飽和狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)力差仍然降低，但降低幅度減弱，比如，當(dāng)wt從3.34%增加到3.45%，應(yīng)力差從5.0 MPa降到3.7 MPa，降幅為25.6%。應(yīng)力差的降低正是紅砂巖在水的作用下發(fā)生的力學(xué)性質(zhì)軟化的重要特征。

圖7 應(yīng)力差σi-σc與含水率的關(guān)系Fig.7 Relationship of difference between crack initiation stress and crack closure stress to water content

3.3 含水率與強(qiáng)度和彈性模量的損失系數(shù)的關(guān)系

本文引入強(qiáng)度損失系數(shù)Rucs和彈性模量損失系數(shù)RE來量化含水率對紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的弱化程度，方程如下:

Rucs=1-σf(wet)/σf(dry)

(3)

RE=1-E(wet)/E(dry)

(4)

其中，σf(wet)和Ewet為不同含水狀態(tài)下紅砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量;E(dry)和σf(dry)為干燥試件的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

強(qiáng)度損失系數(shù)和彈性模量損失系數(shù)隨含水率的變化關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，隨著含水率增加，強(qiáng)度和彈模損失系數(shù)逐漸增大至趨于穩(wěn)定。比如，在浸水初期(0～20 h)，含水率wt從0%增加到2.08%，強(qiáng)度損失系數(shù)從0增加到0.38。但是，當(dāng)浸水4～8 d后，含水率wt從3.34%增加到3.45%，強(qiáng)度損失系數(shù)僅僅從0.45增加到0.50。

圖8給出了強(qiáng)度和彈模損失系數(shù)與含水率定量的指數(shù)方程。當(dāng)紅砂巖試件達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量總損失系數(shù)分別是0.484和0.334。

圖8 損失系數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.8 Relationship of loss coefficient to water content

4 蠕變試驗(yàn)結(jié)果及分析

在巖體工程中，巖石往往受到荷載與水環(huán)境的共同作用，影響巖體工程長期穩(wěn)定性的不是瞬時(shí)力學(xué)性質(zhì)而是長期力學(xué)性質(zhì)。因此，本文分別對干燥、預(yù)先浸水2，4,6和8 d，相應(yīng)的含水率為0%，2.97%，3.34%，3.37%，3.45%的紅砂巖試件在水環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行恒定應(yīng)力水平下的蠕變試驗(yàn)。

圖9(a)是不同含水狀態(tài)試件的蠕變曲線，圖9(b)是圖9(a)的局部放大圖;圖9(c)是對應(yīng)的應(yīng)變率曲線，圖9(d)是圖9(c)的局部放大圖。

從圖9可以看出:① 在85%飽和抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力水平下，不同含水率的試件均出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，蠕變曲線具有完整的3階段蠕變特征。除了wt=3.45%外，總應(yīng)變隨著含水率的增大而增大。應(yīng)變率曲線呈左低右高的不對稱“U”型;② 瞬時(shí)應(yīng)變隨含水率的增加而增大，當(dāng)試件趨于飽和時(shí)，瞬時(shí)應(yīng)變隨含水率增加而變化幅度不大;③ 在初始蠕變階段，盡管含水率不同，對應(yīng)的應(yīng)變率相差無幾，這說明該階段蠕變變形的增幅一致。在第2蠕變階段應(yīng)變率隨含水率的增大而增加，這在蠕變曲線中顯示為含水率越大曲線越陡;④ 隨著吸水率的增大，第2穩(wěn)定蠕變階段持續(xù)時(shí)間越短，即在高含水率條件下，試件將很快進(jìn)入到第3階段發(fā)生破壞失穩(wěn);⑤ 含水率不同，試件失穩(wěn)破壞的時(shí)間也不同，隨著含水率增加，失穩(wěn)破壞時(shí)間縮短。

為了深入探究在荷載和水共同作用下含水率對紅砂巖蠕變力學(xué)特性的影響，本文分別分析了含水率與瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率和破壞時(shí)間這4個(gè)蠕變特征參數(shù)的關(guān)系。

4.1 含水率與瞬時(shí)應(yīng)變的關(guān)系

圖10(a)為瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?與含水率的關(guān)系曲線。從圖10(a)可以看出瞬時(shí)應(yīng)變隨含水率的增加而逐漸增大，比如，與干燥狀態(tài)相比，當(dāng)含水率wt增加到2.97%，瞬時(shí)應(yīng)變從4.95×10-3增加到5.74×10-3，增幅為15.96%。但當(dāng)試件趨于飽和時(shí)，比如含水率wt從3.34%增大到3.45%，瞬時(shí)應(yīng)變從6.17×10-3增加到6.48×10-3，增幅僅為5%。這是因?yàn)樗矔r(shí)應(yīng)變與巖石的彈性模量相關(guān)。正如圖8所示，彈性模量損失系數(shù)隨含水率呈指數(shù)形式而增加，即彈性模量隨含水率增加而呈負(fù)指數(shù)形式衰減。瞬時(shí)應(yīng)變與含水率的關(guān)系同樣可以用指數(shù)函數(shù)來描述，擬合曲線及定量關(guān)系表達(dá)式如圖10(a)所示。

圖9 不同含水率紅砂巖試件的蠕變及應(yīng)變率曲線Fig.9 Creep curves and creep strain rate curves of specimens with different water content

圖10 蠕變特征參數(shù)與含水率的關(guān)系Fig.10 Relationship of creep characteristic parameters to water content

4.2 含水率與蠕變應(yīng)變的關(guān)系

蠕變應(yīng)變?chǔ)舤是指與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)變，是蠕變破壞前的總應(yīng)變與瞬時(shí)應(yīng)變的差值。從圖10(b)可以看出，隨著含水率的增大，蠕變應(yīng)變減小。比如在干燥狀態(tài)下，蠕變應(yīng)變?yōu)?.14×10-3，含水率增大到2.97%時(shí)，該應(yīng)變降低到2.84×10-3，降幅為9.55%。但是當(dāng)試件趨于飽和時(shí)，盡管含水率增幅不大，蠕變應(yīng)變?nèi)杂写蠓冉档?，比如含水率wt=3.34%和wt=3.45%時(shí)，蠕變應(yīng)變分別降低了20.4%和44.9%。這是因?yàn)樗矔r(shí)應(yīng)變隨含水率增大而減小最后趨于穩(wěn)定，但同時(shí)蠕變的總應(yīng)變隨著含水率的增大而逐漸增大，如圖10(a)所示。

4.3 含水率與穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率的關(guān)系

4.4 含水率與破壞時(shí)間的關(guān)系

從圖10(d)可以看出，含水率越大，試件的破壞時(shí)間Tf越短。在干燥狀態(tài)下，試件的破壞時(shí)間是37.25 h，當(dāng)含水率為2.97%和3.34%時(shí)，破壞時(shí)間分別降低到15.98 h和3.84 h，降幅分別為57.1%和89.7%，這說明非飽和試件的破壞時(shí)間受吸水時(shí)間的影響十分顯著。當(dāng)試件趨于飽水狀態(tài)時(shí)，破壞時(shí)間仍顯著降低，比如含水率從3.37%增大到3.45%，盡管含水率僅增加了0.08%，試件的破壞時(shí)間從1.08 h縮短到0.58 h，降低幅度為46.3%。破壞時(shí)間的長短取決于第2穩(wěn)定蠕變階段的持續(xù)時(shí)間，第2階段越長，那么破壞時(shí)間越長，反之亦然，也即破壞時(shí)間與穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率有關(guān)。圖10(c)表明即便是飽和試件穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率仍然顯著增大，因此受荷載與水共同作用下紅砂巖蠕變破壞時(shí)間顯著縮短。

在實(shí)際工程中，巖石長期處在水環(huán)境中，受荷載與水的共同作用，然而，過去學(xué)者在進(jìn)行含水率對巖石蠕變特性影響的試驗(yàn)時(shí)，通常對試件表面做密封處理使巖石保持恒定的含水率。由此可見，本文得到的浸水條件下紅砂巖試件的蠕變試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際，對巖體工程的長期穩(wěn)定性分析具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

(1)單軸壓縮試驗(yàn)得到的各階段特征應(yīng)力(閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力和破壞應(yīng)力)隨含水率的增大而呈負(fù)指數(shù)形式降低。各特征應(yīng)力與破壞應(yīng)力之比以及啟裂應(yīng)力與閉合應(yīng)力之差隨含水率增大而減小。含水率增大導(dǎo)致紅砂巖的非線性特征增強(qiáng)。強(qiáng)度和彈性模量損失系數(shù)隨含水率呈指數(shù)函數(shù)增長的趨勢，并在飽和狀態(tài)下趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

(2)在荷載與水共同作用下，即便是初始飽和巖樣，其蠕變特性仍然有顯著的變化。瞬時(shí)應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率隨含水率的增加呈指數(shù)形式逐漸增大，而蠕變應(yīng)變和破壞時(shí)間隨含水率的增加而減小。

(3)巖石在水中的蠕變變形產(chǎn)生新的裂紋，有利于水進(jìn)一步運(yùn)移到新生裂縫尖端，加劇了水對裂紋尖端的物理力學(xué)作用，進(jìn)而加速裂紋的擴(kuò)展，這是在荷載與水共同作用下飽和巖樣的蠕變力學(xué)特性依然顯著變化的重要原因。

(4)巖土工程災(zāi)害往往與水的影響密不可分。受荷載與水共同作用下的蠕變試驗(yàn)更加符合工程巖體長期處在水環(huán)境中的真實(shí)情況，本文給出的不同含水率下紅砂巖瞬時(shí)和蠕變試驗(yàn)結(jié)果將有助于評價(jià)巖體工程的長期穩(wěn)定性。